细胞内COP囊泡转运调控糖脂代谢的研究进展

2021-01-08李瑞茜孙钰婷林雨山潘珏宇于梦帆张媛媛孙晓东

四川生理科学杂志 2021年4期

李瑞茜孙钰婷林雨山潘珏宇于梦帆张媛媛孙晓东△

（1四川大学基础医学专业2017级本科生，四川成都 610041；2 四川大学华西基础医学与法医学院药理学教研室，四川成都 610041）

1 COP囊泡的组装过程和基本功能

COP囊泡介导的蛋白转运的关键步骤包括：招募特定的“货物蛋白”并从从供体细胞器中释放；新形成的囊泡被动地在细胞质中扩散，或者沿细胞骨架进行定向转运；载体的膜与目的细胞器膜融合，卸载货物。一些标志性的胞质蛋白COP对于转运的起始步骤至关重要，故用包被蛋白的名字为这种囊泡命名。根据包被蛋白的种类不同，又可以将COP囊泡分为外被体蛋白I（Coat protein I，COP I）和外被体蛋白II（Coat protein II，COP II）囊泡。

COP I复合物的组装过程起始于鸟苷酸交换因子（Guanine nucleotide exchange factor，GEF）Gea1，Gea1介导Arf的GTP/GDP交换从而使Arf转移到高尔基体膜上并定位，继而招募外壳蛋白的七个亚基，衣壳蛋白采用替代构象来调整与其相互作用的其他外壳的数量继而调节囊泡的大小和形状[1]。COP I复合物货物的分选与转运机制与KKXX二赖氨酸的运输基序有关。携带有二赖氨酸基序的逆行货物蛋白质可以直接与COP I复合物结合，而在COP I复合物的外壳蛋白中，α-COP是KKXX最优受体，β′-、Ԑ-COP也是能够与KKXX结合的外壳蛋白；但是β-、γ-、ζ-COP与其他的p24结构域结合而且还需要含有苯丙氨酸的基序，而苯丙氨酸基序可以作为顺行转运信号，所以外壳蛋白可以将逆向转运和顺向转运货物包装成不同的COP囊泡[2]。膜曲率变化促进Arf的GTP酶激活蛋白的招募，Arf结合的GTP水解后COP I囊泡即从膜上脱离[3]。COP I囊泡主要介导逆向转运和囊泡间运输，同时促进高尔基体扁平囊泡的成熟，从而帮助糖脂代谢关键分子的分选、包装并从顺面高尔基体运送到不同目的地[4,5]。

COP II复合物的组装过程与COPI类似，COP II复合体组装起始于GEF蛋白Sec12，小GTP结合蛋白Sar1被招募到ER后，Sec12催化Sar1的GDP转换为GTP，活化并暴露其N-端的α螺旋，插入到ER膜上后促使初始曲率的产生，同时招募Sec23/Sec24异源二聚体[6]。Sec23/Sec24异源二聚体呈蝴蝶结状，空间结构具有一个可协助ER膜弯曲塑形的凹形接触面，并可引导货物分子从ER进入囊泡[7]。Sar1/Sec23/Sec24和货物形成的复合体被Sec13/Sec31异源四聚体捕获，该异源四聚体形成囊泡的外包被同时维持膜的曲率并促进来自于ER的囊泡膜的缢断[3]。GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein，GAP）Sec23催化Sar1的GTP水解为GDP，促进囊泡的缢断。同时，Sar1的GTP水解同样促使包被蛋白复合物的解聚[3]。经由精密调控的组装，COP II选择性地将新合成的蛋白从内质网运输至高尔基体或者内质网-高尔基体中间体（ER-Golgi intermediate compartment，ERGIC），完成分泌蛋白的折叠和糖基化等，通过顺向转运帮助糖脂代谢关键分子获得生理活性[8]。

COP囊泡可根据细胞需求改变生物膜结构的形态大小、货物转运的方向，适应运输需求的COP II囊泡的曲率变化，使其在运输较大或者形状不规则的货物时仍然可以保持较好的柔韧性与刚性[9]，Sar1B突变的肠上皮细胞不能有效调节COP II囊泡的直径运输乳糜微粒入血，造成乳糜微粒蓄积及脂质吸收困难[10,11]。同时COP囊泡在不同的生理状态下适应体内精细而复杂多变的能量和营养成分的需求变化。血清或生长因子可刺激哺乳动物细胞激活p38-MAPK通路，促进Sac1寡聚体的解聚和COP I囊泡介导的从高尔基体向内质网的转运；而无血清条件下，哺乳动物细胞可见COP II囊泡将寡聚化的Sac1运送至高尔基体，下调高尔基体的PI4P水平及其分泌功能[12]。COP囊泡这些“因时而变，因势而变”的特性使胞内囊泡运输可以协助细胞对外界刺激做出适应性反应，维持胞内稳态，因此与代谢响应通路具有密切的联系。

2 COP囊泡对糖代谢的调控

葡萄糖摄取是葡萄糖胞内代谢的前提，也是降低内环境血糖的主要细胞机制[13]。胰岛素介导葡萄糖摄取，调控糖类与脂质和蛋白质之间的物质能量代谢。在胰岛β细胞中，胰岛素首先以前胰岛素原的形式被翻译出来，随后被其N端的信号肽引导至ER，在那里它的A链和B链以二硫键相连，形成具有稳定的3D构型的胰岛素原。胰岛素原随即被转运至高尔基体，经激素原转化酶切去没有作用的C肽，经羧基肽酶E除去C端部分氨基酸，形成成熟的胰岛素[14]。可以说，囊泡对于胰岛素的分泌是不可或缺的。研究发现，在小鼠胰岛β细胞MIN6中敲除COP II复合体的关键分子Sar1会导致胞内COP II囊泡的内质网出芽障碍和胰岛素原运输障碍[15]。

葡萄糖摄取过程中另一个关键角色是人体内的主要葡萄糖转运蛋白GLUT4，它存在于脂肪组织和肌肉组织中，在维持机体内葡萄糖稳态方面具有重要作用。葡萄糖转运蛋白GLUT4被动态分选并保留在细胞内，并通过胰岛素调节的囊泡运输（或“GLUT4转位”）重新分配到质膜（Plasma membrane，PM），其含量在囊泡和细胞膜之间处于动态平衡[16]。Rab蛋白作为胞内膜运输途径的主要调控因子在GLUT4转位中起重要功能。肌肉细胞中，胰岛素诱导Rab8A结合肌球蛋白Va（Myosin Va，MyoVa），肌球蛋白Va与肌动蛋白丝相互作用，从而促进携带有GLUT4的囊泡连续出芽[17]。Rab13在被胰岛素激活后，则可与GLUT一同共定位于质膜附近的细胞皮层，帮助GLUT4囊泡锚定于皮质肌动蛋白丝，促进囊泡融合。Rab8A的核周作用和Rab13的外周作用可相互协调，完成肌肉细胞中胰岛素调控的GLUT4囊泡定位[18]。在脂肪细胞中，Rab10起到与Rab8A和Rab13类似的作用，不过它主要在皮层胞质结合MyoVa[19]。

3 COP囊泡对脂代谢的调控

细胞内的脂质转运是维持脂质代谢稳态的关键。它们在内质网中的合成，在细胞外的运输，在不同细胞的转化及其对相关基因及转录因子的调控都依赖于其在细胞内亚细胞器和细胞质膜之间的适当分布。囊泡转运对于脂代谢调节的多个环节都是必不可少的，尤其是在脂质的吸收、胆固醇的合成、甘油三酯分解等方面。

肠道对于脂质的吸收是食物脂质和脂溶性维生素被送往不同组织加以利用的前提条件[20]。肠内皮细胞摄取脂解产物并将其酯化后，在内质网中将其包装进前乳糜微粒（pre-chylomicrons）中运送到顺式高尔基体。在高尔基体内这些脂质被进一步加工形成成熟的乳糜微粒，随后进入淋巴并通过胸导管进入全身循环[21]。乳糜微粒蓄积症（Chylomicron retention disease，CRD）以脂肪吸收不良，脂肪泻，慢性腹泻，脂溶性维生素缺乏症，低胆固醇血症和发育迟缓等为主要临床特征，其患者被报道存在Sar1B基因的突变，干扰前乳糜微粒向高尔基体的转运和后续加工，这意味着乳糜微粒的分泌障碍可能与COP II有关[22,23]。由此可见COP囊泡的功能损害可能影响脂质的吸收，甚至造成严重的脂代谢紊乱。

转录因子SREBP对胆固醇合成发挥着负反馈作用。SREBP蛋白有3种：SREBP-2主要激活胆固醇合成相关基因，而SREBP-1a和SREBP-1c对脂肪酸合成相关基因影响更大。当胆固醇含量丰富时，SREBP会留在内质网中，并与护送蛋白SREBP切割激活蛋白（SREBP cleavage activating protein，SCAP）和内质网驻留膜蛋白胰岛素诱导基因（Insulin-induced gene，Insig）蛋白结合。低胆固醇导致SCAP的固醇敏感域构象变化，使其与Insig蛋白解离，同时通过诱导SCAP与内质网和脂滴相关蛋白（Cell death-inducing DFF45-like effector B，Cideb）相互作用，促进SREBP/SCAP装载到COP II囊泡中，从ER出芽[24]。此外，Cideb与鸟嘌呤核苷酸交换因子Sec12结合，在ER出口位点富集SCAP/SREBP，启动 COPII复合物的组装[25]。接着COP II囊泡将SREBP-SCAP运送到高尔基体，被两种蛋白酶催化形成活性形式的SREBP，它们随后易位到细胞核激活靶基因的转录。

脂滴是储存甘油三酯和甾醇酯的细胞器，也是甘油三酯储存和分解的主要场所，所以在能量储存、体内平衡和生物合成方面至关重要[26]。包括脂肪酶（Adipose triglyceride lipase，ATGL）、脂肪分化相关蛋白（Adipose differentiation-related protein，ADRP）在内的多种酶及酶的辅因子从ER向脂滴转运介导脂解作用[27]。研究表明，依次突变GBF1、Arf1和COP I的β亚基，发现运输至脂滴的ATGL减少或错误运输至蛋白酶体降解，说明ATGL是通过GBF1-Arf1-COP I途径运输到脂滴的。同样，COP II复合体组装起始因子Sar1和组成部分sec13的突变导致的ATGL或ADRP到脂滴的运输障碍，也表明该运输过程对COP II囊泡的需求[27]。